MCU 51-8 AD/DA

模拟量：自然界连续变化的物理量。所谓连续，包含两个方面的含义； 一方面从时间上来说，它是随时间连续变化的； 另一方面从数值上来说，它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。

数字量：计算机中处理的是不连续变化的量，离散性的数字量。 当计算机用于数据采集和过程控制时，采集的对象往往是连续变化的物理量（模拟信号）如温度、压力、摄像头采集图像、照度等，但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连续变化的物理量进行A/D转换为不连续的数字量交给计算机处理，保存等。计算机输出的数字量有时需要通过D/A转换为模拟量去控制某些执行元件。A/D转换器完成模拟量至数字量的转换，D/A转换器完成数字量至模拟量的转换。

PCF8591

单电源，低功耗8 位CMOS 数据采集器件，具有4 个模拟输入、一个输出和一个串行I2C 总线接口。3 个地址引脚A0、A1 和A2 用于编程硬件地址，允许将最多8 个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。PCF8591由于其使用的简单方便和集成度高，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。

特点：

1 单电源供电

2 工作电压：2.5 V ~ 6 V

3 I2C 总线串行输入/输出

4 通过 3 个硬件地址引脚编址

5 采样速率取决于 I2C 总线传输速率决定

6 4 个模拟输入可编程为单端或差分输入

7 自动增量通道选择 8

8 位逐次比较型A/D 转换

 AOUT是模拟输出，通过数字量，改变模拟量输出，控制LED10的亮度

8 位逐次比较型A/D 转换

逐次比较型A/D转换器的工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：

顺序  砝码重    比较判断     暂时结果

1          8g         8g<13g       保留 8g

2         8+4g      12g<13g     保留 12g

3         8+4+2g  14g>13g     撤消 12g

4         8+4+1g  13g=13g     保留 13g

AD转换器的主要技术指标概述：

分辨率

分辩率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值(n为AD器件的位数)。对于5V的满刻度，采用８位的AD时，分辨率为5V/256≈0.01953V；当采用12位的AD时，分辨率则为5V/4096≈0.00122V。显然，位数越多分辨率就越高。

转换速率

转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。

量化误差

由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转换特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转换特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。（尺子量出来的1CM不一定是1CM）

零值误差

满刻度误差

线性误差

绝对精度

在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。

AD的差分输入与单端输入：

单端输入,输入信号均以共同的地线为基准.这种输入方法主要应用于输入信号电压较高(高于1 V),信号源到模拟输入硬件的导线较短,且所有的输入信号共用一个基准地线.如果信号达不到这些标准,此时应该用差分输入.单端输入时, 是判断信号与 GND 的电压差. 

差分输入,每一个输入信号都有自有的基准地线;由于共模噪声可以被导线所消除,从而减小了噪声误差. 差分输入时, 是判断两个信号线的电压差. 信号受干扰时, 差分的两线会同时受影响, 但电压差变化不大. (抗干扰性较佳) 而单端输入的一线变化时, GND 不变, 所以电压差变化较大. (抗干扰性较差) 

 

PCF8591地址：

I2C 总线系统中的每一片PCF8591 通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1 和A2 来设置，因此I2C系统中最多可接 =8个PCF8591。在I2C 总线协议中地址必须是起始条件后作为第一个字节发送。地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位1为读操作，0为写操作。

PCF8591控制字节：

发送到 PCF8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。如果自动增量（auto-increment）标志置1，每次A/D 转换后通道号将自动增加。

             

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define MAIN_Fosc        11059200UL    //宏定义主时钟HZ
#define PCF8591_ADDR    0x90        //PCF8591地址
#define DACOUT_EN        0x40        //DAC输出使能

sbit BEEP = P2^3;     //蜂鸣器

/*====================================
 自定义类型名
====================================*/
typedef unsigned char INT8U;
typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int INT16U;
typedef unsigned int uint;

/*====================================
 硬件接口位声明
====================================*/
sbit SDA = P2^0;   //I2C串行数据
sbit SCL = P2^1;   //I2C串行时钟
sbit DU  = P2^6;   //数码管段选
sbit WE  = P2^7;   //数码管位选
sbit LED1= P1^0;   //ADC读取失败指示灯(亮成功，灭失败)
sbit LED2= P1^1;   //DAC转换失败指示灯(亮成功，灭失败)
/*====================================
共阴极数码管段选码
====================================*/
uchar code table[]={ 
//0        1     2     3     4     5     6     7     8
0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F,
//9     A     B       C     D       E     F        -     .      关显示
0x6F, 0x77, 0x7C, 0x39, 0x5E, 0x79, 0x71, 0x40, 0x80, 0x00
                   };

/*====================================
数码管位选码
====================================*/
                  //第1位    2位      3位     4位   5位    6位      7位    8位
uchar code T_COM[] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f};//数码管位码

/*====================================
函数：void Delay_Ms(INT16U ms)
参数：ms，毫秒延时形参
描述：12T 51单片机自适应主时钟毫秒级延时函数
====================================*/
void Delay_Ms(INT16U ms)
{
     INT16U i;
     do{
          i = MAIN_Fosc / 96000; 
          while(--i);   //96T per loop
     }while(--ms);
}

/*====================================
函数：void Delay5us()
描述：12T 51单片机5微秒延时函数自适应时钟（11.0592M，12M,22.1184M）
====================================*/
void Delay5us()
{
    #if MAIN_Fosc == 11059200
        _nop_();
    #elif MAIN_Fosc == 12000000
        _nop_()
    #elif MAIN_Fosc == 22118400
        _nop_(); _nop_(); _nop_();
    #endif
}

/*====================================
函数：void Display(INT8U Value)
参数：Value,显示值 取值0-255
描述：共阴极数码管显示函数可显示一个字节的数
====================================*/
void Display(INT8U Value)
{
//------------------------------
    DU = 1;
    P0 = table[Value/100];    //管显示百位
    DU = 0;

    P0 = 0xff;                  //清除断码

    WE = 1;
    P0 = T_COM[0];              //第一位数码管
    WE = 0;
    Delay_Ms(5);
//-------------------------------
    DU = 1;
    P0 = table[Value%100/10]; //显示十位
    DU = 0;

    P0 = 0xff;                  //清除断码

    WE = 1;
    P0 = T_COM[1];              //第二位数码管
    WE = 0;
    Delay_Ms(5);
//-------------------------------
    DU = 1;
    P0 = table[Value%10];        //显示个位
    DU = 0;
                                
    P0 = 0xff;                    //清除断码

    WE = 1;
    P0 = T_COM[2];                //第三位数码管
    WE = 0;
    Delay_Ms(5);
}

/*====================================
函数：I2C_init()
描述：I2C总线初始化
====================================*/
void I2C_init()
{
    SDA = 1;   //数据总线高
    _nop_();
    SCL = 1;   //时钟总线高
    _nop_();
}

/*====================================
函数：I2C_Start()
描述：I2C起始信号
====================================*/
void I2C_Start()  
{
    SCL = 1;
    _nop_();
    SDA = 1;
    Delay5us();
    SDA = 0;
    Delay5us();
}

/*====================================
函数：I2C_Stop()
描述：I2C停止信号
====================================*/
void I2C_Stop()
{
    SDA = 0;
    _nop_();
    SCL = 1;
    Delay5us();
    SDA = 1;
    Delay5us();
}

/*====================================
函数：Master_ACK(bit i)
参数：i 为0时发送非应答 为1时发送应答
描述：I2C主机发送应答
====================================*/
void Master_ACK(bit i)    
{
    SCL = 0; // 拉低时钟总线允许SDA数据总线上的数据变化
    _nop_(); // 让总线稳定
    if (i)     //如果i = 1 那么拉低数据总线 表示主机应答
    {
        SDA = 0;
    }
    else     
    {
        SDA = 1;     //发送非应答
    }
    _nop_();//让总线稳定
    SCL = 1;//拉高时钟总线 让从机从SDA线上读走 主机的应答信号
    _nop_();
    SCL = 0;//拉低时钟总线， 占用总线继续通信
    _nop_();
    SDA = 1;//释放SDA数据总线。
    _nop_();
}

/*====================================
函数：Test_ACK()
返回：0为不应答 1为应答
描述：I2C检测从机应答
====================================*/
bit Test_ACK()     // 检测从机应答
{
    SCL = 1;//时钟总线为高电平期间可以读取从机应答信号
    Delay5us();
    if (SDA)
    {
        SCL = 0;
        I2C_Stop();
        return(0);
    }
    else
    {
        SCL = 0;
        return(1);
    }
}

/*====================================
函数：I2C_send_byte(uchar byte)
参数：byte 要发送的字节
描述：I2C发送一个字节
====================================*/
void I2C_send_byte(uchar byte)
{
    uchar i;
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        SCL = 0;
        _nop_();
        if (byte & 0x80)    //
        {
            SDA = 1;
            _nop_();
        }
        else
        {
            SDA = 0;
            _nop_();
        }
        SCL = 1;
        _nop_();
        byte <<= 1;
    }
    SCL = 0;
    _nop_();
    SDA = 1;
    _nop_();    
}

/*====================================
函数：I2C_read_byte()
返回：读取的字节
描述：I2C读一个字节
====================================*/
uchar I2C_read_byte()
{
    uchar i, dat;
    SCL = 0 ;
    _nop_();
    SDA = 1;
    _nop_();
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        SCL = 1;
        _nop_();
        dat <<= 1;      
        if (SDA)
        {
            dat |= 0x01;  
        }
        _nop_();
        SCL = 0;
        _nop_();
    }
    return(dat);
}

/*====================================
函数：DAC_OUT(uchar DAT)
参数：DAT，发送给PCF8591转换的数字量
返回：返回1执行成功，0失败
描述：主机发送数字量交由PCF8591转换为模拟量
====================================*/
bit DAC_OUT(uchar DAT)
{
    I2C_Start();                  //I2C总线起始
    I2C_send_byte(PCF8591_ADDR+0);//发送PCF8591地址加读写方向位0（写）
    if (!Test_ACK())              //检测是否发送成功(应答)
    {
        return(0);
    }
    I2C_send_byte(DACOUT_EN);      //发送控制字节DAC输出使能 
    if (!Test_ACK())              //检测是否发送成功(应答)
    {
        return(0);
    }
    I2C_send_byte(DAT);              //发送数字量交由PCF8591转为模拟量AOUT脚输出
    if (!Test_ACK())              //检测是否发送成功(应答)
    {
        return(0);
    }
    I2C_Stop();                      //I2C停止信号
    return(1);    
}

/*====================================
函数：bit ADC_Read(uchar CON, uchar *DAT)
参数：CON,ADC控制字节 *DAT指针变量，用于存放带入形参变量的地址
返回：返回1执行成功，0失败
描述：读取PCF8591的转换回的值
====================================*/
bit ADC_Read(uchar CON, uchar *DAT)
{
    I2C_Start();                     //I2C起始信号
    I2C_send_byte(PCF8591_ADDR+0);    //发送PCF8591地址加读写方向位0（写）
    if (!Test_ACK())                //检测是否发送成功(应答)
    {
        return(0);
    }
    I2C_send_byte(CON);                //发送控制字节
    Master_ACK(0);                    //发送非应答
    I2C_Start();                    //重发起始信号
    I2C_send_byte(PCF8591_ADDR+1);    //改变读写方向（读）
    if (!Test_ACK())                //检测是否发送成功(应答)
    {
        return(0);
    }
    *DAT = I2C_read_byte();            //把读取的值赋给形参
    Master_ACK(0);                    //主机发送非应答
    I2C_Stop();                        //I2C停止信号
    return(1);                        //成功返回1
}

/*====================================
函数：void main()
描述：主函数
====================================*/
void main()
{
    INT8U ADC_Value; //存放ADC的值
    I2C_init();
    while(1)
    {
        //读取通道2转换的值，单端输入。
        if(!ADC_Read(0x02, &ADC_Value))    LED1 = 1;    else;    LED1 = 0;

        //把AD转换得的数量在送给PCF8591转为模拟量控制模拟量输出口的小灯
        if(!DAC_OUT(ADC_Value))    LED2 = 1;    else    LED2 = 0;
        
        //显示读出的模拟量
        Display(ADC_Value);

        if (ADC_Value > 150)    BEEP = 0;    else    BEEP = 1;
        Delay_Ms(5);
    }    
}